光学系统的光束指向稳定性光电测试法研究

杨斌

【摘 要】本文以振动的基本理论为基础，利用矩阵光学理论，总结了光学图像法测试光束指向稳定性的定理。通过进行实验光路的测试以及光电法测试光束指向稳定性的模型设计，实验表明：光束指向稳定性误差的大小，误差的出现的振动概率及其影响大小可以通过光学图像法来分析，加以加速度计的电学法运用的结合，可以推测出光束指向误差是由于光路影响以及来源。光电测试法的设计稳定，便捷实用，具有十分高的使用价值与应用存在，可以广泛应用于规模大的光束系统的光束指向稳定性测试。

【关键词】光学系统；光束指向稳定性；电学法

光束特性的转变通过激光光路系统，种子光源产生激光光束后，加以后续的各种光学元件而成的，其价值在于符合“打靶”的各种需求。光束会因受到许多方面的影响而干扰在传输过程中的效果，其中不可控的振动引起的动态干扰程度最为突出，光束会因此在“打靶”过程在最佳位置来回晃动，使打中的机率浮动不定，这就说明了研究光束指向稳定性是有一定的价值存在的。

1 光束指向稳定性的方法

测量光束的方法不一，如电学法、机械法、光学法等，其中以光学法和电学法为核心。电学法的概念主要是通过转换被测对象的振动量为电量，并使用电量测试仪为测试工具，它的优势在于敏捷感高、频率幅度以及動态线性的范围大、分析遥测简单，其缺点是对电磁场的干扰大、无法解析光学元件上光束振动的现象，没有振动对光束指向稳定性产生的误差。光学法主要通过干扰手段进行测试，其优势是受磁场影响小、测试结果精准度高、通用于体积小难以安装的非接触测量，其缺点是测试结构繁杂，成本高。

随着技术发展，普通的机械振动的测试方法广泛适用于光路的振动测试中，也有少部分的文献资料参考了光学法的测量研究。因此本文继续探讨光束指向稳定性的测试方法类型，总结光学系统的光束因时间而形成的变化量的原因以及造成光束指向偏移的振动信号频谱的特点与影响程度的分析。据此，这种光学方法测试领域大、精准度高、直接得出答案、迅速定位造成光束指向稳定性的误差根源以数据，从而提高“打靶”的成功率。

2 光电法测量光束指向的应用

将振动的频率特征传输到承载光学元件的机械结构，统称为环境微振动（也称为镜架）。在前文有所阐释中，光束的频率信息会受到由于光学系统的终端光束的指向稳定性误差数据对镜架的干扰而存在不同程度的影响，结果一般为镜架的稳定频率。根据有关实验表明，取样镜添加在光学系统的传输终端的光路输出位置中，并通过利用高速图像对其采样光进行采集，在规定时间内得出不同的光斑图像，对得出的图像质心与重心进行计算机处理后，随着时间变化，图像的质心与重心会产生变化数据，就是光束指向稳定性位移误差图。

光束指向稳定性误差的频谱图可以通过博里叶原理处理图像的质心与重心位移数据，改变光束指向而成，并能总结出因频率差异而造成光束指向稳定性的误差幅度结果。电传感器是承载光学元件的镜架1到镜架n上一次性或分次安装测试振动的工具，如加速度计，各镜架的振动频谱图是通过采集仪与计算机的配合共同分析测量后的振动数据而出的。各镜架的频率由电传感器分析，光束指向稳定性误差的频谱图的幅度峰值的频率由图像分析，两者相对比分析，诊断对光学系统光束指向稳定性造成误差的镜架编号与其对光束指向稳定性的影响程度。

3 光束指向稳定性光电测试法分析

根据有关实验分析表明，氦氖激光器可发出波长为632.8纳米的可见红光，利用高速摄像机采集经平面镜透析的图像。高速摄像机的参数为像素21μm，拍摄频率500frame/秒，3秒可以采集实验中的1500张图片。振动传感器的最大频率高于1000赫兹，是以加速计为工具。本文通过光学图像法和加速度计电学法中的竖直方向测试分析来降低操作难度，增加实验的可操控性。将可选频率的振动仪安置在平面镜镜架的下面，增强实验效果的直观性。为了减少地面与建筑的随机干扰，可以将设备统一归到在隔振平台上。

对氦氖激光器的平台稳定性测试是实验前的一道工序，采集激光是通过高速摄像机进行的，根据有关实验证明：氦氖激光器不易受光学平台的影响，无突出的频率特征，说明了光源由激光器发出的指向稳定性高。

振动信号可通过加速度计的电学法测量，而加速度信号与频率谱图是在实验中采用东方振动和噪声技术研究所的DASP系统，根据有关实验表明，特征频率值自身以及影响程度与光学法的原理基本一致的，从而论证了光束指向稳定性通过光学法分析是准确的，也得出一个新结论是平面镜23赫兹的振动是光束指向稳定性的误差来源。通过测试再发现，17赫兹的频率是振动仪的稳定频率，并不是无意义的频率数据。与振动台固有频率接近的23赫兹的激振频率下，两者作用下产生了17赫兹的共振，并且通过光学法和电学法的测试下，认为17赫兹会对光束指向稳定性产生影响。

另外，实验中可以随意调控对准光束的角度、高速摄像机的位置、摄像机镜头的焦距与采集光斑的明晰程度等，提高光学图像法对光束指向稳定性的测试的科学性，并获得与23赫兹这个在光源静止与平面镜镜架共同作用下的频率结果。根据有关数据表明，光源平台的振动频率特征幅度在光源静止下是完全一致的；频率的特征值在平面镜的23赫兹振动频率作用下是相同的，但幅度有所偏差，其原因是振动仪具有不稳定的振动幅度，缺乏17赫兹频率的共振出现。两者的实验结果表明：测量光束指向稳定性的光学法更为便捷可信。

4 结束语

本文通过已有的光学测量法的理论为前提，以实验操作验证其准确性。得出了光束指向稳定性产生误差的振动信号频谱特征及频率影响程度这一结论，是通过利用高速图像采集器对传输的光信号的分析而得出的。实验操作过程简单、干扰因素少，其中基于振动测量的电学法是通过研究光学元件镜架的频率特征情况，迅速定位对光束指向稳定性产生误差的来源的一种快速的方法，因此得出要改良光学元件以及降低防振的措施这个结论。因此，对光束指向稳定性进行诊断方法的研究表明，通过两种不同的振动测量方法的优劣对比分析，得出可适用于规模较大的激光装置光束指向稳定性的应用中。

【参考文献】

[1]刘芳，徐嘉，张燕，等.光学器件微振动引起的光束指向稳定性分析[J].光学学报，2011，31（11）：1120001-1-1120001-7.

[2]江征风.测试技术基础[M].北京：北京大学出版社，2010：51-53.

[责任编辑：朱丽娜]